ترمیستورها

ترمیستور نوعی مقاومت متغیر می‌باشد که مقاومتشان وابسته به تغییرات دما است

ترمیستور یک المان حالت جامد است که از آن به عنوان سنسور دما استفاده می‌شود. از ترمیستورها می‌توان برای ساخت یک ولتاژ خروجی آنالوگ وابسته به تغییرات دما استفاده کرد. بنابراین می‌توان آن را نوعی مبدل به حساب آورد.

ترمیستور دارای دو پایه است و از یک ماده‌ی نیمه رسانا بر پایه اکسید فلزات ساخته شده که در داخل یک دیسک سرامیکی قرار گرفته .

این ساختار به ترمیستور اجازه می‌دهد تا به ازای تغییرات کوچکی که در دما رخ می‌دهد، مقدار مقاومتی اش را تغییر دهد ترمیستور ترکیب دو کلمه‌ی THERMally و resISTOR می‌باشد.

در حالیکه تغییرات در میزان مقاومت بر اثر گرما معمولاً مطلوب نیست از این اثر می‌توان بهره گرفت و بسیاری از مدارات تشخیص حرارت را بر اساس آن بنا کرد از آن جایی که ترمیستورها المان‌هایی غیرخطی با مقاومت متغیر هستند، می‌توانند برای اندازه‌گیری دمای مایعات و گازها به کار بروند.

دو ویژگی حالت جامد بودن و ساخته شدن از اکسید فلزات باعث شده که ترمیستور در سطوح مولکولی فعالیت داشته باشد و الکترون‌های ظرفیت مواد تشکیل‌دهنده ی آن دو شاخص دمایی منفی و مثبت را داشته باشند .

در ضمن این قطعات توانایی تحمل دماهای بالا  تا ℃۲۰۰ را دارند.

ترمیستورها می‌توانند به صورت سری به دیگر المان ها یا دستگاه‌ها متصل شوند تا جریان الکتریکی را کنترل کنند و با افزایش یا کاهش دما، میزان جریان عبوری نیز تغییر می‌کند.

ترمیستورها در انواع مختلف در دسترس هستند و بر اساس زمان پاسخ‌دهی و دمای راه‌اندازی‌شان طبقه‌بندی می‌شوند. همچنین از آن‌جایی که این قطعه به طور کامل بسته است می‌توان از آن در محیط‌های مرطوب استفاده کرد و اطمینان خاطر داشت که رطوبت به آن نفوذ نمی‌کند ترمیستورها به ۳ دسته تقسیم می‌شوند:

ترمیستورهای مکعب مستطیل، ترمیستورهای دیسکی و ترمیستورها با کپسول شیشه‌ای؛ این مقاومت‌های وابسته به حرارت به دو نوع (NTC) (Negative Temperature Coefficient) ( ترمیستور با شاخص دمایی منفی) و (PTC) (Positive Temperature Coefficient) (ترمیستور با شاخص دمایی مثبت ) تقسیم می‌شوند.

ترمیستور با شاخص دمایی مثبت مقاومت خود را با افزایش دما افزایش می‌دهد اما در ترمیستورها با شاخص دمایی منفی مقاومت به ازای افزایش دما کاهش می‌یابد.

ترمیستور NTC

استفاده از NTC ها نسبت به PTC رایج‌تر می‌باشد و معمولاً از آن‌ها می‌توان در تمام مداراتی که با دما سروکار دارند استفاده کرد.

ترمیستورهای NTC دارای شاخص منفی مقاومت به دما (R/T) هستند و تغییرات کوچکی در دما می‌تواند تغییرات بزرگی را در مقاومت الکتریکی آن‌ها به وجود بیاورد که همین امر آن‌ها را برای اندازه‌گیری دما و سیستم‌های کنترلی مناسب می‌کند.

در گذشته گفته شد که یک ترمیستور یک المان الکترونیکی است که مقاومتش به شدت وابسته به دما می‌باشد: بنابراین اگر ما یک جریان ثابت را به ترمیستور اعمال و افت ولتاژ دو سر آن را اندازه‌گیری کنیم میزان مقاومت ترمیستور در یک دمای خاص به دست می‌آید.

NTC ها با منحنی‌های مقاومت به دمای گوناگون در دسترس می‌باشند. ترمیستورهای NTC معمولاً با مقاومت پایه‌شان در دمای اتاق معرفی می‌شوند. به عنوان مثال ۴۷KΩ یا ۱۰KΩ در ۲۵ درجه سانتی گراد.

یکی دیگر از مشخصه‌های مهم یک ترمیستور ضریب B  می‌باشد. B یک عدد ثابت است که وابسته به ماده‌ی سرامیکی است که قسمت نیمه‌رسانای ترمیستور را در بر گرفته. این ضریب در تعیین شکل منحنی (R/T) نقش مهمی را ایفا می‌کند. هر ماده ضریب متفاوتی دارد و بنابراین منحنی های متفاوتی را می‌توان با تغییر در ماده‌ای که ترمیستور را احاطه کرده به وجود آورد.

اگر دمای اتاق (℃۲۵) را T۱ و ۱۰۰ درجه سانتی گراد را T۲  در نظر بگیرید؛ BT1/T2 یا B۲۵/۱۰۰ برای یک ترمیستور NTC چیزی بین ۳۰۰۰ تا ۵۰۰۰ خواهد بود.

به هر حال فراموش نکنید که T۱ و T۲ دما برحسب کلوین می‌باشد و صفر درجه سانتی گراد برابر با ۲۷۳/۱۵ کلوین می باشد، بنابراین ۲۵ درجه سانتی گراد برابر با ۲۵+۲۷۳/۱۵ = ۲۹۸/۱۵K و ۱۰۰ درجه سانتی گراد برابر با ۱۰۰+۲۷۳/۱۵=۳۷۳/۱۵K می‌باشد.

بنابراین با دانستن ضریب B یک ترمیستور ( این مقدار معمولاً در دیتاشیت شرکت سازنده ذکر شده ) می‌توان جدول مقاومت بر حسب دما را به دست آورد و با استفاده از معادله‌ی زیر گراف متناسب را ترسیم کرد.

معادله ترمیستور

که در آ«:

T۱ اولین نقطه دمایی بر حسب کلوین است.

T۲ دومین نقطه ی دمایی بر حسب کلوین است.

R۱ مقاومت ترمیستور در دمای T۱ به اهم می‌باشد.

R۲ مقاومت ترمیستور در دمای T۲ به اهم می‌باشد.

مثال ۱- ترمیستور

ضریب B یک NTC ده کیلو اهمی بین دمای ℃۲۵ تا ℃۱۰۰، ۳۴۵۵ می‌باشد مقدار مقاومت را برای دمای ℃۲۵ و دمای ℃۱۰۰ محاسبه کنید.

داریم B=3455 و R۱=10KΩ در ۲۵ درجه سانتی‌گراد ابتدا باید دما را از سانتی‌گراد به کلوین تبدیل کنیم.

با داشتن مقدار مقاومت در دمای اتاق (R۱ در ℃۲۵ برابر با 10KΩ است ) مقدار R۲ در ۱۰۰ درجه سانتی گراد به صورت زیر قابل محاسبه خواهد بود.

همان‌طور که می‌بینید دو نقطه از گراف مشخصات ترمیستور به دست آمده:

۱. مثال شماره یک ترمیستور

فراموش نکنید که در این مثال تنها دو نقطه به دست آمد اما به طور کلی ترمیستورها مقاومت‌‌شان را به صورت لگاریتمی با تغییرات در دما تغییر می‌دهند بنابراین منحنی مشخصه‌شان غیرخطی است و در نتیجه هرچقدر نقاط دمایی بیشتری محاسبه شوند منحنی دقیق‌تری را خواهیم داشت .

۱۲۰

۱۱۰

۱۰۰

۹۰

۸۰

۷۰

۶۰

۵۰

۴۰

۳۰

۲۵

۲۰

۱۰

دما (OC)

اگر نقاطی که در جدول می‌بینید را روی یک محور RT ترسیم و سپس تمام نقاط را به یکدیگر متصل کنید، منحنی مشخصه برای یک ترمیستور NTC ده کیلواهمی به دست می‌آید که ضریب B آن ۳۴۵۵ می‌باشد.

منحنی مشخصه یک ترمیستور

۲. منحنی مشخصه یک ترمیستور

در نظر داشته باشید NTC ها دارای ضریب منفی هستند به عبارتی دیگر مقدار مقاومت با افزایش دما کاهش می‌یابد.

استفاده از ترمیستور برای اندازه‌گیری دما

بنابراین ما چگونه می‌توانیم با استفاده از یک ترمیستور دما را اندازه‌گیری کنیم؟ همان‌طور که گفته شد ترمیستور یک المان مقاومتی است و بنابراین و براساس قوانین اهم اگر جریان از آن عبور کند، افت ولتاژ در دو سر آن به وجود می‌آید. از آن جایی که ترمیستور یک سنسور پسیو است؛ به یک سیگنال تحریک برای راه‌اندازی نیاز دارد و هر تغییری در مقاومتش به واسطه تغییرات دما می‌تواند تبدیل به ولتاژ شود.

برای این منظور ، ترمیستور به عنوان بخشی از مدار جداکننده ولتاز در نظر گرفته می‌شود یک ولتاژ تغذیه ثابت به رزیستور اعمال می‌شود و ولتاز خروجی از دو سر ترمیستور گرفته می‌شود .

به عنوان مثال اگر ما از یک مقاومت و ترمیستور ۱۰KΩ که به صورت سری به یکدیگر متصل شده‌اند استفاده کنیم ولتاژ خورجی در دمای ℃۲۵ نصف ولتاژ منبع تغذیه خواهد بود چرا که    

۱۰Ω/(۱۰Ω+۱۰Ω)=۰/۵

هنگامی که میزان مقاومت یک ترمیستور با تغییرات دما عوض می‌شود، افت ولتاژ دو سر ترمیستور نیز تغییر می‌کند.

۳. استفاده از ترمیستور برای اندازه‌گیری دما

بنابراین مدار جداکننده ولتاژ مثالی از یک مبدل ساده مقاومت به ولتاژ می‌باشد که در آن مقاومت ترمیستور توسط دما کنترل می‌شود و به این ترتیب ولتاژ خروجی تولید نیز وابسته به دما می‌باشد. بنابراین هر چه دمای ترمیستور بالاتر برود، ولتاژ خروجی کاهش پیدا می‌کند.

اگر جای ترمیستور (RTH) و مقاومت سری (RS) با یکدیگر تعویض شود ولتاژ خروجی در جهت معکوس تغییر می‌کند بنابراین هر چقدر ترمیستور داغ‌تر شود، ولتاژ خروجی بالاتر می‌رود.

ما می‌توانیم از ترمیستورهای NTC در مدارهای پل نیز استفاده کنیم رابطه‌ی بین مقاومت‌های R۱ و R۲ ولتاژ مرجع (VREF) را مشخص می‌کنند به عنوان مثال اگرR۱ وR۲  با یکدیگر برابر باشند، ولتاژ مرجع برابر با نصف ولتاژ تغذیه خواهد بود : VREF=VS/۲

هنگامی که دما و متعاقباً مقدار مقاومتی ترمیستور تغییر می‌کند ،افت ولتاژ روی ترمیستور (VTH) نیز تغییر می‌کند و بسته به اینکه این ولتاژ از VREF کمتر یا بیشتر باشد یک سیگنال خروجی مثبت یا منفی خواهیم داشت که این سیگنال به تقویت کننده ارسال می‌شود.

مدار تقویت‌کننده‌ای که به مدار پل حسگر دما متصل شده می‌تواند شبیه به یک تقویت‌کننده تفاضلی عمل کند یا از آن می‌توان به عنوان یک مدار اشمیت تریگر و فقط برای کلیدزنی استفاده نمود.

۴. استفاده از ترمیستور برای اندازه‌گیری دما

اما با عبور ممتد جریان از ترمیستور، دمای ترمیستور به تدریج افزایش می‌یابد گاهی اوقات توان تلفاتی به‌قدری بالاست که گرمای فوق‌العاده زیادی در قطعه به وجود می‌آید که می‌تواند روی مقدار مقاومتی تأثیر بگذارد و باعث به دست آمدن نتایج غلط شود.

اگر جریانی که از ترمیستور می‌گذرد خیلی بالا باشد دمای قطعه به سرعت بالا می‌رود و در NTC ها میزان مقاومت با افزایش دما نیز افزایش بیشتری پیدا می‌کند و یک سیکل مخرب به وجود می‌آید که باعث خطا در اندازه‌گیری و در نهایت سوختن قطعه می‌شود.

بنابراین مقدار RS ( مقاومت سری با ترمیستور) باید به دقت انتخاب شود تا با محدود کردن جریانی که به ترمیستور می‌رسد ، ترمیستور را در برابر حرارت بیش از اندازه و سوختن محافظت کند .

اگر بخواهیم به نمودار R/T خطی‌تری دست پیدا کنیم، می‌توانیم از منبع ثابت جریان بهره بگیریم اگر جریان ثابت باشد تغییرات در مقاومت می‌تواند با ثابت بودن جریان به راحتی اندازه‌گیری شود و با داشتن مقدار مقاومت و جریان عبوری از ترمیستور افت ولتاژ خورجی نیز قابل پیش‌بینی و اندازه‌گیری خواهد بود.

استفاده از ترمیستور برای سرکوب کردن جریان هجومی اولیه

مقاومت ترمیستور می‌تواند هم از طریق تغییرات دمای خارجی تغییر کند و هم نسبت به تغییرات جریان الکتریکی واکنش نشان دهد.

ترمیستور یک المان مقاومتی است و بر اساس قوانین اهم هنگامی که با اعمال اختلاف پتانسیل جریان الکتریکی از یک مقاومت می‌گذرد، توان با فرمول I۲R به صورت تلفات دما خودش را نشان می‌دهد و توان تلفاتی منجر به داغ شدن قطعات می‌شود در ترمیستور این داغ شدن با تغییراتی در میزان مقاومت قطعه همراه خواهد بود.

المان‌های القایی مانند موتورها، ترانسفورماتورها و… دارای جریان هجومی اولیه بزرگی هستند از ترمیستور می‌توان برای محدود کردن این جریان استفاده نمود. NTC های مقاومت پایین برای تنظیم جریان المان‌های القایی گزینه های مناسبی هستند.

ترمیستور محدود کننده جریان هجومی اولیه

۵. ترمیستور محدود کننده جریان هجومی اولیه

سرکوب‌کنندگان جریان هجومی و محدودگرهای پیک ولتاژ گروهی از ترمیستورها هستند که به صورت سری به یکدیگر متصل شده‌اند و مقاومت شان در حالی که جریان از آن‌ها عبور می‌کند بسیار پایین می‌آید. هنگامی که منبع تغذیه تازه روشن شده حرارت ترمیستور بالا می‌رود و در نتیجه مقاومت در NTC ها به تدریج کاهش پیدا می‌کند تا جایی که توان تلفاتی توانایی حفظ مقاومت پایین برای اکثر ولتازهایی که به بار اعمال می‌شود را دارد.

به دلیل اینرسی مواد تشکیل‌دهنده ترمیستور گرم شدن آن چند ثانیه زمان می‌برد سپس جریان عبوری از بار به تدریج افزایش می‌یابد و دیگر خبری از افزایش ناگهانی جریان نیست. ترمیستورهایی که برای سرکوب جریان هجومی اولیه استفاده می‌شوند می‌توانند در دماهای فوق‌العاده بالا مقاومت کمی داشته باشند اما نیاز به زمانی برای خنک شدن و ریکاوری دارند. بنابراین هر از چند گاهی اتصال منبع تغذیه قطع می‌شود و NTCبا خنک شدن و افزایش مقاومت برای استفاده‌های بعدی آماده می‌شود.

سرعت پاسخ‌دهی یک ترمیستور محدود کننده جریان توسط ضریب زمانی‌اش مشخص می‌شود ثابت زمانی ترمیستور، زمانی است که ترمیستور برای تغییر مقاومتش به میزان ۱/۳ به آن احتیاج دارد به عنوان مثال فرض کنید دمای ترمیستوری از صفر درجه به ۱۰۰ درجه رسیده حال ثابت زمانی برای این ترمیستور مدت زمانی است که دمای ترمیستور به ℃۶۳ سانتی گراد برسد .

ترمیستورهای NTC می‌توانند با وجود کارکرد متمادی مقاومت شان را پایین نگه‌دارند و بار را تغذیه کنند همچنین از رسیدن جریان هجومی اولیه به بار جلوگیری می‌کنند این قطعات نسبت به مقاومت‌های محدود کننده جریان توانیی تحمل جریان بیشتری را دارند اما میزان توان تلفاتی شان تقریباً با مقاومت‌های معمولی برابر می‌باشد.

خلاصه‌ی ترمیستورها

در این مقاله ترمیستورها را مورد بررسی قرار دادیم و متوجه شدیم که ترمیستور یک مبدل مقاومتی می‌باشد که دارای ۲ ترمینال است و مقدار مقاومتی‌اش با تغییرات در دمای محیط تغییر می‌کند بنابراین به این قطعه مقاومت متغیر با دما نیز گفته می‌شود.

ترمیستورها قطعات ارزان و در دسترسی می‌باشند که از اکسید فلزات ساخته شده‌اند این المان به دو دسته NTC (ترمیستور با شاخص دمایی منفی) و PTC( ترمیستور با شاخص دمایی مثبت) تقسیم‌بندی می‌شود مقاومت NTC با افزایش دما کاهش می‌یابد اما مقاومت قطعات PTC با افزایش دما افزایش پیدا می ‌کند.

ترمیستورهای NTC نسبت به PTC ‌ها رایج‌تر هستند قطعات NTC  معمولاً با یک مقاومت (RS) سری می‌شود و بخشی از یک مدار جداکننده ولتاز را تشکیل می‌دهند که تغییرات در دما ، تغییرات در مقاومت و متعاقباً ولتاژ را به وجود می آورد.

به هر حال جریان عبوری از ترمیستور را باید تا حد ممکن پایین نگه داشت تا با کاهش توان تلفاتی، دمای ترمیستور بیش از حد بالا نرود اگر جریان عبوری از این المان خیلی زیاد باشد ، احتمال بروز خطا وجود دارد.

ترمیستورها توسط مقاومت پایه و ضریب ثابت B طبقه‌بندی می‌شوند مقاومت پایه، مقاومت یک ترمیستور در دمای اتاق (℃۲۵) می‌باشد ضریب B نیز حالت شیب منحنی مشخصه مقاومت/دمای ترمیستور را نشان می‌دهد.

علاوه بر استفاده از ترمیستورها به عنوان قطعاتی برای اندازه‌گیری دمای خارجی، می‌توان از آن‌ها برای کنترل جریان الکتریکی نیز استفاده کرد توان تلفاتی (I۲R) باعث بالا رفتن حرارت در قطعه می‌شود و با تغییر مقاومت ترمیستور، جریان نیز قابل کنترل خواهد بود در هر صورت اتصال یک ترمیستور NTC به یک سری مقاومت می‌تواند جریان هجومی اولیه را محدود کند.